Перегорание предохранителей ТН в автономной системе⁠⁠

Исходные условия:
- Электростанция на 4 машины по 12 МВт. Генераторы выдают 10 кВ, потом повышение до 35 кВ (две двухцепные линии до потребителей);
- Сеть с изолированной нейтралью;
- Характер нагрузки - активный. Коэффициент нагрузки 0,99;
- Феррорезонанс не наш случай. ОЗЗ отсутствуют, небаланс в треугольнике только при коммутациях;
- Предохранители - китайские XRNP6 40,6KV 0,3A. Они, как оказалось не образуют разрыв при перегорании, а происходит необратимое увеличение сопротивления. Вероятно это происходит из-за спиральной намотки нити, а при перегорании слабого места образуется искровой разряд (фиксировался сильный нагрев при замене предохранителей);
- Трансформаторы напряжения ЗНОЛП-35, о производителе умолчу. В нейтрале резисторов нет, в треугольнике установлен варистор.

Как фиксировалось перегорание предохранителей.
Один из генераторов начал входить в сеть при синхронизации с повышенным напряжением. Показания на терминале РЗА показывали снижение напряжения одной из фаз на 5 % относительно остальных. Вытащили предохранители, сопротивление перегоревшего 50 кОм, остальных 16 Ом. Дальше так фиксировали перегорание, по снижению напряжения отдельных фаз. За лето перегорело около 12 шт.

В чем причина?
В нормальных условия ток в первичной обмотки ТН составляет несколько десятков мА. Увеличение тока нагрузки, в том числе и короткое замыкание на выводах вторичных обмоток ТН, не вызовет перегорание предохранителя в первичной обмотке (был опыт КЗ на выводах ТН, литой корпус треснул, а предохранители целые и невредимые).
При феррорезонансе происходит насыщение магнитопровода ТН и снижение индуктивного сопротивления, в результате растет ток в первичной обмотке ТН. Тут происходит вывод ТН из режима с помощью вспомогательных устройств (варистор в цепи треугольника) или перегорание предохранителей. Феррорезонанс фиксируется по напряжению на треугольнике, которое превышает 120 В вторичных. Это не наш случай, т.к. напряжение на треугольнике в лучшем случае составляло 20 В вторичных, что мало даже для переходного ОЗЗ.

Итого имеем:
- ток в первичной обмотке ТН, как при феррорезонансе;
- феррорезонанса в сети нет.

Что же показали осциллограммы?
Ниже показаны осциллограммы при отключении ВЛ 35 кВ.

А вот и гармонический анализ.

Как видно из осциллограмм, в сети при отключении ВЛ 35 кВ возникает постоянная составляющая напряжения. Из-за чего она появилась, разберемся чуть позже. Сейчас посмотрим, что происходит с ТН при напряжении постоянного тока.
Основное сопротивление первичной обмотки ТН является индуктивным, а вот активное сопротивление обмотки всего 3,9 кОм для ЗНОЛП-35. Для постоянного тока сопротивление ТН имеет только активную составляющую, поэтому при коммутации ВЛ 35 кВ ток протекающий по первичной обмотке ТН превышает 2х кратный номинальный ток предохранителя.

Примечание: Трансформатор не трансформирует постоянный ток из одной обмотки в другую, но трансформирует изменение постоянного тока. Положительная волна - это увеличение напряжения постоянного тока в сети, а отрицательная волна - это снижение напряжения постоянного тока. Поэтому фактическое значение напряжения постоянного тока в сети 35 кВ при коммутациях может быть, как больше, так и меньше. Длительность протекания постоянного тока является суммой всех волн на осциллограмме.

Откуда постоянное напряжение в сети 35 кВ?
У переменного тока есть частота и напряжение. Частота регулируется топливными регуляторами на первичном двигателе, а напряжение током возбуждения. При дефиците активной мощности в системе происходит снижение частоты, при избытке - увеличение. Так же и с реактивной мощностью, если ее избыток, то напряжение в узле повышается (например при подключении статических компенсаторов).
Если в системе 10 МВт, то дефицит в 100 кВт не вызовет значительного снижения частоты, а вот дефицит в 1 МВт может снизить частоту и до 45 Гц, но тут зависит от регулирующего эффекта нагрузки. С частотой пример более показателен, чем с напряжением, но у напряжения есть особенность.
Система имеет определенную емкость, а напряжение на емкости не может изменяться скачком, поэтому при значительной просадке или скачке реактивной мощности в системе, происходит появление апериодической составляющей. Величина этой составляющей зависит от величины просадки/скачка относительно общей мощности системы.

В исходных данных написано, что коэффициент нагрузки около 1, суммарная потребляемая реактивная мощность в системе около 800 кВАр летом, 2500 кВАр зимой (зимой предохранители и не перегорали). В нашем случае ВЛ 35 кВ является большим распределенным конденсатором с зарядной мощностью 200-400 кВАр, поэтому при отключении ВЛ дефицит в системе составляет до 50 %, что вызывает появление апериодической составляющей большой величины, которая вызывает перегорание предохранителей.

Решение проблемы.
Завод-изготовитель ссылается на то, что на электростанциях ЗНОЛПы плохо работают из-за содержания гармоник в сети и предлагают купить НАЛИ с предохранителями в 1 А.
Владелец оборудования хочет просто увеличить номинал предохранителя на ЗНОЛП.
Я вижу решение в установке резисторов в нейтраль группы ТН для ограничения протекающих токов. На линейные напряжения это не окажет никакого влияния (счетчики, пуски по напряжению, дистанционная защита), но для треугольника изменится коэффициент трансформации.

Примечание.
Все вышесказанное является моим мнением. В подтверждение выступает перегорание предохранителя на ТН при многократной коммутации ВЛ 35 кВ (зарядная мощность линии 350 кВАр), когда искали связь между коммутациями и перегораниями предохранителей.